當公眾還在討論機器人能否完成端茶倒水等基礎(chǔ)家務(wù)時，科研領(lǐng)域已邁出更前沿的步伐。由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院、美國杜克大學(xué)與葡萄牙高等理工大學(xué)組成的聯(lián)合團隊，成功運用機器人技術(shù)部分替代動物開展生理學(xué)實驗，為解析動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何調(diào)控智能行為提供了全新路徑。

該團隊最新研究成果聚焦于機器魚的游泳機制，相關(guān)論文《機器魚連續(xù)與間歇游泳的能效與神經(jīng)控制》發(fā)表于國際頂級期刊《科學(xué)·機器人》。這項研究通過構(gòu)建仿生機器人系統(tǒng)，深入探討了魚類運動中的神經(jīng)控制與能量效率關(guān)系。值得注意的是，該團隊去年十月已在同一期刊發(fā)表了關(guān)于機器魚模擬斑馬魚視覺運動反應(yīng)的研究，顯示出其在跨學(xué)科領(lǐng)域的持續(xù)突破。

作為模式生物的斑馬魚幼魚，因其身體透明、繁殖周期短等特性，成為神經(jīng)科學(xué)研究的理想對象。然而現(xiàn)有技術(shù)無法在活體運動狀態(tài)下精準觀測其神經(jīng)回路，且動物行為難以完全受控。仿生機器人實驗恰好彌補了這些局限：研究人員通過編程構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在可控環(huán)境中驗證神經(jīng)活動與運動行為的因果關(guān)系，同時避免了倫理爭議并大幅降低實驗成本。

研究團隊基于斑馬魚神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究成果，開發(fā)了以"中樞模式發(fā)生器+動作門"為核心的間歇性游泳模型，并研制出仿斑馬魚幼魚形態(tài)的機器魚ZBot。該設(shè)備不僅能復(fù)現(xiàn)"慢速直行"與"常規(guī)轉(zhuǎn)向"等基礎(chǔ)游泳動作，通過調(diào)節(jié)參數(shù)還可模擬J型轉(zhuǎn)向、接近游泳等復(fù)雜步態(tài)。實驗視頻顯示，ZBot在水中游動時，其運動軌跡與真實斑馬魚幼魚高度相似。

為探究不同流體力學(xué)環(huán)境對運動的影響，研究人員將ZBot置于三種粘度流體中進行測試。結(jié)果顯示，隨著流體粘度升高，機器魚的推進效率顯著下降——在高粘度環(huán)境中的位移距離僅為普通水中的三十分之一。但轉(zhuǎn)向功能受影響較小，在普通水與高粘度流體中的轉(zhuǎn)向角度分別約為60度和45度。這種特性使ZBot能更真實地模擬低雷諾數(shù)環(huán)境下小型水生生物的運動模式。

針對間歇性運動提升能效的傳統(tǒng)解釋，研究團隊提出了新觀點。通過對比生物肌肉與伺服電機的效率曲線，發(fā)現(xiàn)二者均在中等負載時達到峰值效率。實驗證實，ZBot采用間歇性游泳模式時，電機效率及綜合能效均優(yōu)于連續(xù)模式，盡管最大速度受到占空比限制。這一規(guī)律在三種粘度流體中均得到驗證，為優(yōu)化機器魚控制策略提供了理論依據(jù)。

該研究通過機器人實驗的獨特優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)動物實驗的局限，深化了對生物運動機制的理解。其發(fā)現(xiàn)不僅為神經(jīng)科學(xué)研究提供了新方法，更直接推動了機器魚控制技術(shù)的發(fā)展——在中低速巡航場景采用間歇驅(qū)動可提升能效，高速機動任務(wù)則需切換連續(xù)驅(qū)動模式。這種根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)調(diào)整運動策略的設(shè)計思路，為水下機器人研發(fā)提供了重要參考。